Строение, свойства и область применения углеродных наноструктур

Министерство образования и  науки, молодежи и спора Украины

Харьковский Технический  Университет “Харьковский Политехнический  Институт”

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по предмету “Нанотехнологии”

на тему “Строение, свойства  и область применения углеродных наноструктур”

 

 

 

Выполнил

Студент группы ФТ-48

Мирошниченко Богдан

Проверил

д. ф.-м. н. Долбин А.В.

 

 

 

 

 

Харьков 2013

Содержание

1 Введение

2 Фуллорен

   2.1Фуллерит

3 Нанотрубки

   3.1 Многослойные нанотрубки

4 Наноалмаз

  4.1 Детонационные наноалмазы

5 Графит

  5.1 Графен

  5.2Лазерное испарение графита

6 Применения урглеродных наноструктур

7 Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения  исследований явлений на атомном  и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются повышенной наукоёмкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и неэффективностью решения задач методом “проб и ошибок”.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.

Углеродные наноматериалы, к числу которых принадлежат фуллерены, фуллериты, нанотрубки, нанографиты и наноалмазы активно исследуются как уникальные объекты нанотехнологии. Свойства данного вида молекул необычны и во многом уникальны.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Фуллорен

До недавнего времени  считалось, что углерод может  существовать лишь в двух формах - в виде графита и в виде алмаза. Но экспериментальные исследования последних лет поколебали эту уверенность. В 1985 г. Харольдом Крото и Ричардом Смоли была открыта ранее неизвестная форма углерода - фуллерены. Молекула фуллерена С₆₀ представляет собой замкнутую сферу, составленную из правильных пятиугольников и шестиугольников с атомами углерода в вершинах(Рис1).

Рис 1 Схематическое изображение фуллерена С60: а - в виде модели, в которой шары атомов углерода соединены стержнями; б - в виде электронного облака; в - с указанием двойных связей; г - диаграмма Шлегеля с пронумерованными атомами углерода.

Молекула С₆₀ имеет структуру усеченного икосаэдра. Фигура формируется двадцатью шестиугольниками и двенадцатью пятиугольниками. Это высокосимметричная фигура, обладающая шестью осями пятого порядка, проходящими через двенадцать противоположно лежащих пятиугольников; десятью осями третьего порядка, проходящими через двадцать противоположно лежащих шестиугольников; тридцатью осями второго порядка, проходящими через противоположно лежащие шестьдесят ребер шестиугольник-шестиугольник; тридцатью осями второго порядка, проходящими через все противоположные шестьдесят вершин фигуры.

Создание к 1990 году эффективной  технологии синтеза, выделения и очистки фуллеренов привело к открытию многих необычных свойств данных молекул. Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов в конденсированном состоянии указывают на большое разнообразие физических явлений, происходящих при участии фуллеренов, открывая значительные перспективы использования этих материалов не только в электронике, оптоэлектронике, но и при создании конструкционных материалов.

2.1 Фуллери́т — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена.

При нормальных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную  кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1,417 нм, средний диаметр молекулы фуллерена С₆₀ составляет 0,708 нм, расстояние между соседними молекулами С₆₀ равно 1,002 нм. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см³, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см³), и, тем более, алмаза (3,5 г/см³). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые.

Поскольку силы взаимодействия между молекулами С₆₀ в кристалле малы, а симметрия очень высока, то при температуре выше 260 К молекулы фуллерена вращаются, и к ним вполне применима модель шарового слоя. Частота вращения, разумеется, зависит от температуры, и при Т = 300 К равна приблизительно 10¹² с⁻¹. При понижении температуры (Т < 260 K) вращение молекул фуллерена прекращается. При Т = 260 К происходит изменение кристаллической структуры фуллерита (фазовый переход 1-го рода) с одновременным замораживанием вращательного движения молекул вследствие увеличения энергии межмолекулярного взаимодействия. Так называемая низкотемпературная фаза фуллерита имеет простую кубическую (ПК) решётку.

Элементарная ячейка кристаллической решётки фуллерита  содержит 8 тетраэдрических и 4 октаэдрических пустот, каждая из которых окружена соответственно 4 и 6 молекулами С₆₀. Размеры октаэдрических пустот составляют 0,42 нм, тетраэдрических — 0,22 нм.

В низкотемпературной фазе фуллерита на каждую молекулу С₆₀ приходится две тетраэдрические и одна октаэдрическая межузельные пустоты со средними линейными размерами, приблизительно, 2,2 Ǻ и 4,2 Ǻ, соответственно.

Фуллериты достаточно устойчивы  химически и термически, хотя и  представляют собой фазу, термодинамически невыгодную относительно графита. Они сохраняют стабильность в инертной атмосфере вплоть до температур порядка 1200 К, при которых происходит образование графита. Образования жидкой фазы вплоть до этих температур не наблюдается. В присутствии кислорода уже при 500 К наблюдается заметное окисление с образованием CO и CO₂. Химической деструкции фуллерита также способствует наличие следов растворителей. Фуллериты достаточно легко растворяются в неполярных ароматических растворителях и в сероуглероде CS₂.

Благодаря тому, что молекулы фуллеренов в фуллерите сближены, из них могут быть получены различные олигомеры и полимерные фазы под действием света, облучения электронами или давления. При давлении до 10 ГПа получены и охарактеризованы орторомбическая фаза, состоящая из линейных цепочек связанных между собой молекул С₆₀, а также тетрагональная и ромбоэдрическая фазы, состоящие из слоев с тетрагональной и гексагональной сетями межмолекулярных связей, соответственно.

Существуют данные об образовании из фуллерита ферромагнитных полимеризованных фаз (так называемый магнитный углерод) под действием давления и температуры, хотя природа этого явления и сами данные не вполне однозначны. Существование таких фаз может быть связано с образованием дефектов, присутствием примесных атомов и частиц, а также с частичным разрушением молекул фуллерена. При давлениях свыше 10 ГПа и температурах свыше 1800 К происходит образование алмазных фаз, причем при определенных условиях могут быть получены нанокристаллические алмазы. Отмечают, что образование алмазов из фуллерита происходит при более низких температурах по сравнению с графитом.

Особенностью фуллеритов является присутствие сравнительно больших межмолекулярных пустот, в которые могут быть внедрены атомы и небольшие молекулы. В  результате заполнения этих пустот атомами щелочных металлов получают фуллериды, проявляющие сверхпроводящие свойства при температурах до 20–40 К.

Полимеризованный фуллерит является самым твердым веществом, известным науке (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Теоретически, из него можно изготавливать инструменты для обработки легированных сталей и алмазов, что, однако, далеко от практической реализации.

3 Нанотрубки

В 1991 году Иижима обнаружил  другую новую 1D форму углерода: продолговатые трубчатые образования, названные «нанотрубками» (рис. 2).

Рис 2

Следует отметить, что  примерно в это же время российские ученые объявили об открытии нанотрубок и их связок, имеющих, однако, намного  меньший коэффициент отношения  длины к диаметру и напоминавших скорее продолговатые фуллерены.

Наиболее просто углеродную нанотрубку (УНТ) можно описать с помощью вектора, соединяющего два атома на графитовом листе. Цилиндр получается при сворачивании данного листа таким образом, чтобы совмещались начало и конец такого вектора. Данный вектор можно выразить через базисные векторы элементарной ячейки графенового листа C = na₁ + ma₂, при этом принято, что n m. Каждая пара чисел (n, m) представляет возможную структуру нанотрубки.

Нанотрубки также характеризуются  диаметром и углом хиральности. Хиральным углом нанотрубки называется угол между осью трубки и рядами наиболее плотно упакованных атомов. Пара целых чисел (n, m) однозначно соответствует паре значений ( d). На практике обычно измеряют именно диаметр и угол хиральности нанотрубки и переводят потом в более наглядные и понятные векторные обозначения.

Одиночная трубка обычно называется однослойной нанотрубкой (ОСНТ). Известный наименьший диаметр  нанотрубки - 0,7 нм, что является диаметром  молекулы фуллерена C₆₀. Нанотрубки, состоящие из коаксиальных графитовых цилиндров, с расстоянием между слоями 0,34 нм называются многослойными нанотрубками (МСНТ).

3.1 Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

Рис 3. Модели поперечных структур многослойных углеродных нанотрубок: а - «русская матрешка»; б - шестигранная призма; в - свиток

Структура типа «русская матрешка» (рис. 3а) представляет собой  совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок. Другая разновидность этой структуры, показанная на рис. 3б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Последняя из приведенных структур (рис. 3в) напоминает свиток. Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок.

Исследования многослойных нанотрубок показали, что расстояния между слоями могут меняться от стандартной  величины 0,34 нм до удвоенного значения 0,68 нм. Это указывает на наличие дефектов в нанотрубках, когда один из слоев частично отсутствует.

Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности  многослойных нанотрубок, связан с  внедрением в поверхность, состоящую  преимущественно из гексагонов, некоторого количества пентагонов или гептагонов. Наличие таких дефектов в структуре нанотрубок приводит к нарушению их цилиндрической формы, причем внедрение пентагона вызывает выпуклый изгиб, в то время как внедрение гептагона способствует появлению крутого локтеобразного изгиба. Таким образом, подобные дефекты вызывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок, причем наличие спиралей с постоянным шагом свидетельствует о более или менее регулярном расположении дефектов на поверхности нанотрубки. Трубки типа «armchair» могут соединяться с трубками типа «zigzag» при помощи локтевого соединения, включающего пентагон с внешней стороны локтя и гептагон с его внутренней стороны. В качестве примера на рис 4  приведено соединение нанотрубки типа «armchair» и нанотрубки типа «zigzag».

Рис. 4. Иллюстрация «локтевого соединения» между нанотрубкой типа «armchair» и нанотрубкой типа «zigzag»: а - иллюстрация «локтевого соединения» между  кресельной и зигзагной трубой. (а) б - структура, спроектированная на плоскость симметрии локтя.

Нанотрубки за счет сил  Ван-дер-Ваальса при производстве обычно соединяются в пучки. В  свою очередь произвольно расположенные  пучки образуют сетки.

Углеродные нанотрубки сочетают в себе свойства молекул  и твердого тела и рассматриваются некоторыми исследователями как промежуточное состояние вещества. Результаты уже первых исследований углеродных нанотрубок указывают на их необычные свойства. Некоторые свойства однослойных нанотрубок приведены в табл. 1.

Свойства	Однослойные нанотрубки	Сравнение с известными данными
Характерый размер	Диаметр от 0,6 до 1,8 нм	Предел электронной литографии 7 нм
Плотность	1.33-1.4 г/см3	Плотность алюминия  2.7 г/см3
Прочность на разрыв	45 ГПа	Самый прочный сплав стали разламывается  при 2 ГПа
Упругость	Упруго изгибается под любым  углом	Металлы и волокна из углерода ломаются по границам зерен
Плотность тока	Оценки дают до 1Г А/см2	Медные провода выгорают при  1 MA/cm2
Автоэмиссия	Активируются при 1-3 В при расстоянии 1 мкм	Молибденовые иглы требуют 50 - 100 В, и недолговечны
Теплопроводность	Предсказывают до 6000 Вт/мК	Чистый алмаз имеет 3320 Вт/мК
Стабильность по температуре	До 2800°С в вакууме и 750°С на воздухе	Металлизация в схемах плавится при 600 - 1000°С